Fysiikan menetelmät ja kvalitatiiviset mallit Rakenneyksiköt

Fysiikan menetelmät ja kvalitatiiviset mallit Rakenneyksiköt ISBN: Veera Kallunki, Jari Lavonen, Kalle Juuti, Veijo Meisalo, Anniina Mikama, Mika Suhonen, Jukka Lepikkö, Jyri Jokinen Verkkoversio: http://www.edu.helsinki.fi/astel-ope Taitto: Anniina Mikama Piirroskuvat: Anniina Mikama Helsingin yliopiston soveltavan kasvatustieteen laitos PL 9 00014 Helsingin yliopisto 1

SISÄLLYS LUONNON PERUSRAKENTEET JA VUOROVAIKUTUKSET Ihminen ja kosmos Neutronitähti, kääpiöt ja musta aukko Galaksit Aurinkokunnan rakenne Aurinkokunnan synty Pyörimisen vaikutukset planeetoissa Maa ja sen kiertoliike Vuorovesivoimat Elämän synty aurinkokunnassa Alkuräjähdys LUONNON PERUSRAKENTEET JA VUOROVAIKUTUKSET Luonnon rakenneosia voidaan tarkastella itsenäisinä rakenteina siten, että sen muut rakenneosat muodostavat ympäristön. Tällä tavalla muodostuu sisäkkäisten rakenteiden järjestelmä, jossa tietyt rakenteet ovat ylemmän asteen rakenteiden rakenneosia. 2

Luonnon eri asteisia rakenneyksiköitä ovat 1. galaksijoukko 2. galaksi 3. tähtijoukko, kaksois- ja monitähtijärjestelmä sekä aurinkokunta 4. planeetta-kuu -järjestelmä 5. tähti, planeetta,... 6. kappale 7. molekyyli... atomi 8. ydin 9. protonit ja neutronit (baryonit) 10. kvarkit, elektronit (leptonit) ja vuorovaikutusten kantajat. Kappaleiden ja hiukkasten väliset vuorovaikutukset sitovat niitä yhteen suuremmiksi rakenteiksi. Nykyisen käsityksen mukaan kaikki vuorovaikutukset perustuvat vuorovaikutuksen lajille ominaisten välittäjähiukkasten vaihtoon, sekä hiukkasten kykyyn tuntea ja aiheuttaa eri vuorovaikutuksia. Luonnon neljä perusvuorovaikutusta ovat voimakkuusjärjestyksessä vahva, sähkömagneettinen, heikko ja gravitaatiovuorovaikutus. Vain kvarkit tuntevat vahvan vuorovaikutuksen. Se sitoo kvarkkeja yhteen raskaiksi hiukkasiksi. Sen välittäjähiukkasia sanotaan gluoneiksi. Hiukkasten kykyä tuntea sähkömagneettista vuorovaikutusta sanotaan varaukseksi. Varausta on kahta lajia, jotka on nimetty plus- ja miinusvarauksiksi. Sähkömagneettinen vuorovaikutus sitoo esimerkiksi ytimiä ja elektroneja yhteen atomeiksi. Gravitaation aiheuttaa hiukkasten massa, jonka ajatellaan merkitsevän kykyä synnyttää ja vastaanottaa gravitoneja, painovoiman välittäjähiukkasia. Massaa on vain yhtä lajia, joten gravitaatio vaikuttaa samalla tavalla kaikkien hiukkasten välillä. Se ei neutraloidu, joten se jää ainoaksi aineellisen maailman suuria rakenteita hallitsevaksi vuorovaikutukseksi. Ihminen ja kosmos Maailmankaikkeuden rakenteen ja kehityksen tutkimusta sanotaan kosmologiaksi. Tähtiä ja tähtienvälistä pölyä 3

Maailmankaikkeus on suurimmaksi osaksi tyhjä. Valtaosa aineesta on keskittynyt tähtiin. Tähtien välissä on paikoitellen harvaa kaasua ja pölyä. Tähtiä ei voi tutkia matkustamalla niiden lähelle, koska matka lähimmälle tähdelle valon nopeudella matkustettaessa kestäisi noin 4,3 vuotta. Tavanomaisilla avaruusraketeilla tähän ei riittäisi ihmiskunnan ikä. Kaukoputkella katsottaessa - omaa Aurinkoa lukuun ottamatta - tähdet näkyvät pistemäisinä. Lähintä tähteä katsottaessa tilanne on likimain sama kuin katsottaessa kymmenen pennin rahaa neljänsadan kilometrin päästä. Tähtiä voidaan tutkia vain niiden lähettämän säteilyn avulla. Säteilyn perusteella voidaan tunnistaa tähden koostumus ja määrittää sen lämpötila sekä lähestymis- tai etääntymisnopeus. Peilikaukoputki. Tähtitaivaan tarkkailua radioteleskoopilla. Tähdet ja galaksit, eivät ole muuttumattomia, vaan niiden rakenne muuttuu, eli ne kehittyvät jatkuvasti. Myös meidän Aurinkomme elämänkaaressa voidaan erottaa nuoruus ja vanhuus, syntymä ja kuolema. Tähden tyypillinen elinikä on noin 10 6-10 13 vuotta. Auringon kokoisen tähden elinikä on n. 10 10 vuotta. Tähdet syntyvät avaruuden harvan aineen pilvien kutistuessa. Tähtien välinen aine on pääasiassa vetykaasua. Mekanismia, joka saa sen alkamaan, ei tunneta hyvin. Kutistuva pilvi voi hajota useaksi keskukseksi, jolloin voi syntyä tähtijoukko tai siitä voi syntyä yksi- 4

näinen tähti, jonka ympärille muodostuneesta kiekosta kertyy tähden ympärille planeettoja. Tähden syntymä Kutistuvan kaasupilven sisäosissa paine kasvaa, jolloin lämpötilakin kohoaa. Kun lämpötila on noussut yli kymmenen miljoonan asteen, pilven sisällä alkaa tapahtua vety-ydinten fuusioreaktioita. Reaktiossa vapautuu energiaa, lämpöä ja ydinsäteilyä. Nämä ylläpitävät Auringon korkeaa lämpötilaa, jonka vuoksi se säteilee kirkasta valoa. Ydinreaktioiden alettua tähden elämässä koittaa rauhallinen keski-ikä, jonka aikana vety fuusioituu heliumiksi. Aurinko on puolessa välissä elämäänsä, puolet alkuperäisestä vedystä on muuttunut heliumiksi. muuttuu punertavaksi, punaiseksi jättiläiseksi. Sisustan kuumeneminen käynnistää uusia ydinreaktioita, joissa helium ja jäljellä oleva vety fuusioituvat asteittain raskaammiksi alkuaineiksi. Raskaimmissa tähdissä päädytään näin aina rautaan asti. Kun ydinreaktiot lakkaavat lähtöaineiden ehtyessä, tähden sisäosat luhistuvat äkillisesti. Tähden kehitys riippuu sen massasta. Auringon massaiset ja pienemmät tähdet menettävät vähitellen ulkokuorensa avaruuteen tähtienväliseksi aineeksi. Sumun keskelle jää tähden tiivistynyt keskus, pieni valkoinen kääpiö. Myös raskaat tähdet laajenevat ensin, mutta tästä eteenpäin tähden kehitys on epävakaa ja tähti saattaa lopulta räjähtää kirkkaana supernovana. Tähden keskustaan saattaa jäädä neutronitähti tai musta aukko. Supernovaräjähdyksessä vapautuu energiaa niin runsaasti, että sen yhteydessä syntyy rautaa raskaampiakin alkuaineita. Maailmankaikkeudessa esiintyvät vetyä ja heliumia raskaammat alkuaineet - myös maapallolla ja ihmisessä - ovat syntyneet aikaisempien sukupolvien massiivisissa tähdissä. Kun vetyfuusio tähden keskuksessa lakkaa, tähden sisäosat kuumenevat, koska tähden osat vetävät toisiaan puoleensa. Säteily tähden sisällä aiheuttaa ulospäin suuntautuvan säteilypaineen. Tämä laajentaa pintakerrosta, jolloin se jäähtyy. Tähti kasvaa ja 5

avaruuden täyttävä jatkuvasti harveneva kaasu, joka oli pääasiassa vetyä. Se alkoi hitaan kehityksen kohti avaruuden suuria rakenteita, galakseja ja tähtiä, joiden miljardien vuosien kehityskulussa vähitellen syntyi kaikki nykyisin tunnettu materia elollista luontoa myöten. Tähden kuolema Hyvin suurikokoiset tähdet, jotka voivat kehittyä supernoviksi ovat harvinaisia. Paljain silmin supernovia on havaittu tällä vuosituhannella neljä kertaa, viimeksi 23.2.1987. Vuoden 1572 supernova oli niin kirkas, että se näkyi viikon ajan myös päivällä. Kaukoputkilla havaitaan kaukaisemmissa galakseissa vuosittain noin kymmenen supernovaa. Pienet tähdet päätyvät jättiläisvaiheen jälkeen valkoisiksi kääpiöiksi, jotka hitaasti jäähtyvät mustiksi kääpiöiksi. Valkoiset kääpiöt ovat yleisiä avaruudessa. yhtenäisvuorovaikutus erikoistui näiden hiukkasten välisiksi neljäksi perusvuorovaikutukseksi. Näin syntyi Valon nopeus on suuri, 300 000 km/s, mutta kuitenkin äärellinen. Kaukaisia tähtitieteelisiä kohteita tutkittaessa katsotaan sen tähden samalla maailmankaikkeuden menneisyyteen. Etäisimmät havaitut kohteet ovat nk. kvasaareja, jotka miljardien valovuosien etäisyyksillä, kaukaisimmat yli 10.000.000.000 valovuoden päässä meistä. Me näemme ne sen tähden sellaisina kuin ne olivat maailmankaikkeuden historian alkuaikoina, miljardeja vuosia sitten. Kvasaarit ovat ilmeisestikin syntyvaiheessaan olevia galakseja. Alkuräjähdyksen jälkeen valo on ehtinyt edetä 15 miljardin valovuoden matkan. Jos näkisimme jotakin näin kaukaa, näkisimme kaikissa suunnissa maailmankaikkeuden sellaisena kuin se oli noin 1 sekunti syntyhetkensä jälkeen. Sitä ennen aine oli nimittäin säteilyä läpäisemätöntä plasmaa, jonka sisästä ei voinut lähteä valon kuljettamia viestejä. Havaitsemisen periaatteellinen raja, aikahorisontti, etääntyy meistä valon nopeudella. Tämä on kuitenkin maailmankaikkeuden mittasuhteisiin verrattuna niin hidasta, ettei sen voi koskaan odottaa paljastavan meille mitään sellaista, mikä ei olisi nähtävissä nyt havaittavassa maailmankaikkeudessa. 6

Alkuräjähdyksen tutkimuksessa tähtitiede ja hiukkasfysiikka kohtaavat. Alkeishiukkasten tunnettujen vuorovaikutusten perusteella voidaan tutkia teoreettisesti aineen rakentumista hiukkasiksi maailmankaikkeuden alkuhetkillä. Näin on saatu hypoteesia tukevia uusia tuloksia. On voitu laskea mm. alkuräjähdyksen jälkeisessä prosessissa syntyvien protonien ja neutronien sekä niistä edelleen muodostuvien heliumin ja vedyn suhteelliset määrät. Molemmat vastaavat havaittuja määriä nykyisessä maailmankaikkeudessa. Kokeellinen hiukkastutkimus, jossa selvitetään alkeishiukkasten välisten vuorovaikutusten luonnetta, on samalla myös alkuräjähdyksen tutkimusta. Törmäyttämällä raskaita ytimiä hyvin suurilla energioilla on voitu synnyttää tilanteita, joissa ytimen mittakaavassa vallitsevat törmäyksen hetkellä samanlaiset olosuhteet kuin maailmankaikkeuden alussa noin hetkellä 1 s. Näiden uusien tulosten mukana pysyvän tilan teoria, jota aikaisemmin pidettiin vakavana vaihtoehtona, on väistynyt yhä enemmän taka-alalle. Siinä maailmankaikkeuden ajateltiin pysyvän ikuisesti samanlaisena, ilman alkua ja loppua. Se olisi tasapainotilassa, jota jatkuva hidas aineen syntyminen ja häviäminen ylläpitäisivät. Lukuisia maailmankaikkeuden syntyyn liittyviä kysymyksiä on edelleen ratkaisematta: Mitä oli ennen alkuräjähdystä? Miksi se lähti liikkeelle? Mitkä olivat tarkat alkuehdot? Miksi maailmankaikkeudessa ei ole vapaana antiainetta? Näihin kysymyksiin ei kyetä vastaamaan nykyisten teorioiden pohjalta. Maailmankaikkeus oli alussa ilmeisesti äärettömän tiheässä tilassa tunnettujen luonnonlakien pätevyysalueiden ulkopuolella. Neutronitähti, kääpiöt ja musta aukko Gravitaatiopuristus voi puristaa suuren tähden vielä valkoista kääpiötä paljon tiiviimmäksi neutronitähdeksi, jossa elektronit ja protonit ovat yhtyneet neutroneiksi. Kun tähti kutistuu, sen pyörimisnopeus kasvaa pyörimismäärän säilymisen takia. Ilmiö on samankaltainen taitoluistelijan piruetissa. Kun luistelija vetää sivulle ojennetut raajansa äkisti kiinni vartaloon, hänen pyörimisnopeutensa kasvaa. Pulsarit ovat nopeasti pyöriviä neutronitähtiä. Ne lähettävät radiosäteilyä kapeassa kiilassa kuin majakka nopeasti toistuvina pulsseina. Yleisen suhteellisuusteorian ennusteen mukaan gravitaatiopuristus voi olla neutronipuurollekin liian voimakas. Tällöin tähden ydin luhistuu mustaksi aukoksi. Aineesta tulee niin tiivistä, ettei valokaan pysty poistumaan sen gravitaatiokentästä. Monien galaksien keskustoissa arvellaan olevan mustia aukkoja. 7

Galaksit Aurinkokunnan rakenne Kierteisgalaksi Kotigalaksimme, Linnunrata, on valtava tähtijärjestelmä. Siinä on arvioitu olevan noin 200 miljardia tähteä eli 50 tähteä jokaista maapallon ihmistä kohden. Jos tähdet ajatellaan kirsikan kokoisiksi, ne on sijoitettava 500 km:n välein, jotta kirsikat olisivat yhtä harvassa kuin tähdet linnunradassa. Suurilla teleskoopeilla kuvatuissa tähtivalokuvissa näkyy monissa suunnissa enemmän galakseja kuin tähtiä. Linnunrata on osoittautunut kooltaan keskinkertaiseksi galaksiksi. Se on yksi maailmankaikkeuden rakenneosa miljardien muiden joukossa. Aurinkoa kiertävät planeetat koottuna yhteen kuvaan kuvamontaasiksi Aurinko on tähti, jota Maa kiertää yhdessä 8 muun planeetan kanssa. Auringon sisään mahtuisi ainakin 1 300 000 maapallon kokoista planeettaa. Auringon keskietäisyys Maasta on noin 150 miljoonaa kilometriä. Valolta kuluu tähän matkaan 8 minuuttia. Aurinko on siis laskiessaan ollut taivaanrannan alapuolella jo 8 minuuttia. Auringon pintalämpötila on noin 5800 K ja sisustan lämpötila jopa 15 miljoonaa kelviniä. 8

Laskeva Aurinko ja suodattimen läpi otettu kuva Auringosta. Auringonpimennyksessä Kuu menee Auringon eteen. Ilman Aurinkoa maapallolla ei olisi elämää. Auringon ydinreaktioissa vapautuvaa energiaa saapuu Maahan sähkömagneettisena säteilynä, joka valaisee ja lämmittää. Suurin osa tästä säteilystä imeytyy ilmakehään ja heijastuu siitä takaisin avaruuteen. Osa läpäisee ilmakehän ja saa aikaan mm. kasvien elintoiminnot, ilmavirtaukset ja veden kiertokulun. Ihminen ja eläimet käyttävät kasveihin varastoitunutta auringon energiaa mm. kasvamiseen, liikkumiseen ja lämmittämiseen. Ihminen säätelee myös veden kiertokulkua pieneltä osalta patoamalla vesistöjä ja muuntamalla padotun veden potentiaalienergian esimerkiksi sähköksi. Aurinkokunnassamme on yhdeksän planeettaa sekä suuri joukko pikkuplaneettoja, kuita ja komeettoja: Aurinkokunta. Komeetta lähestyy aurinkoa. 9

Maan kaltaiset planeetat Merkurius, Venus, Maa ja Mars ovat pieniä ja koostuvat suureksi osaksi raskaista alkuaineista, joista tärkeimpiä ovat natrium, magnesium, alumiini, pii, kalsium, rauta ja nikkeli. Alkuaineet esiintyvät pääasiassa yhtyneenä happeen kemiallisiksi yhdisteiksi nk. maamateriaaleiksi. Suuret planeetat Jupiter ja Saturnus ovat pääasiassa vedystä ja heliumista koostuvia palloja. Niiden alkuainekoostumus on siis lähellä tähden koostumusta. Jos Jupiterin massa olisi suurempi, siitä olisi voinut kehittyä tähti. Antiikin Maa-keskeinen malli Lähikuva Jupiterin pinnasta Nykyinen aurinko-keskeinen malli. Uranus ja Neptunus ovat tiheydeltään edellisten välissä. Ne koostuvat pääasiassa hiilestä, typestä ja hapesta sekä niiden vety-yhdisteistä. Ulommaisena Aurinkokunnassa kiertää jääplaneetta Pluto. 10

Maan Kuu on todennäköisesti syntynyt Maan ja noin Marsin kokoisen taivaankappaleen törmäyksessä. Törmäyksessä hajonneet planeetan kappaleet putosivat osaksi Maahan ja osa jäi Maata kiertävälle radalle Kuuksi. Tämä selittää Maan ja Kuun kallioperän samankaltaisuuden. Kuvamontaasi planeetoista Lähes kaikilla planeetoilla on kiertolaisenaan kuita. Suuret planeetat, Jupiter, Saturnus, Uranus ja Neptunus ovat lukuisine kuineen kuin aurinkokuntia pienoiskoossa. Saturnuksella, Jupiterilla, Uranuksella ja Neptunuksella on ympärillään renkaat. Amerikkalaiset astronautit Kuun pinnalla. Jupiterin kuu. Aurinkokunnassa on suurten planeettojen lisäksi epälukuinen määrä pikkuplaneettoja ja meteoriitteja aina pieniin hiekan siruihin saakka. Esimerkiksi Maan kiertoradan lähellä on arvioitu olevan 100 000 noin 100 m:n läpimittaista lohkaretta. Tällaisten kappaleiden on arveltu törmäävän Maapalloon noin 100 000 vuoden välein. Näiden lisäksi Maan ympärillä on hiekan siruja ja pikkukiviä. Maahan törmäävät pikkukivet ja hiekanmurut palavat useimmiten ilmakehässä ja näkyvät tähdenlentoina. Jos avaruuden kivi pääsee Maan ilmakehän läpi, sitä kutsutaan meteoriitiksi. Maassa ei juurikaan havaita meteoriittien muodostamia kraatereita, 11

koska maanpinta muokkautuu jatkuvasti, mm. mannerlaatat liikkuvat. Kuulla ja pikkuplaneetoilla ei ole suojaavaa ilmakehää. Niinpä niiden pinnat ovat täynnä erikokoisten meteoriittien aiheuttamia kraattereita. Tähtienvälisessä avaruudessa liikkuu likaisen lumipallon kaltaisia paikallisia kasaantumia, jotka liikkuvat tähden ympäri kuten planeetatkin. Kun tällainen kasaantuma lähestyy esimerkiksi Aurinkoa, se alkaa höyrystyä ja siitä irtoaa pölyä. Aurinkotuuli ja säteilypaine puhaltavat kaasun ja pölyn pitkäksi Auringosta poispäin suuntautuvaksi pyrstöksi. Näin muodostuu pyrstötähti eli komeetta. Tunnetuin Aurinkokunnan komeetta on Halley'n komeetta, joka kiertää Aurinkoa hyvin soikeaa ellipsirataa pitkin. Viimeksi se oli lähinnä Aurinkoa vuonna 1986. Haleyn komeetta Aurinkokunnan synty Koko aurinkokunnan arvellaan syntyneen samassa prosessissa, koska aurinkokunnassa kaikki pyörimisja kiertoliikkeet tapahtuvat samaan suuntaan muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta. Vanhimpien kivinäytteiden ja Auringon kehitystä koskevien laskelmien perusteella aurinkokunnan iäksi on päätelty 4,6 miljardia vuotta. Sen tähden on ilmeistä, että Auringolla ja sen kiertolaisilla on yhteinen syntyhistoria. Aurinkokunta on muodostunut yhdestä suuresta pyörivästä kaasukiekosta. Kiekon keskellä kutistui aluksi Auringon esimuoto, jonka pinnan lämpötila oli noin 3200 C. Aurinkoa lähimmäksi muodostui Maan kaltaisia planeettoja, jotka rakentuivat maamateriaalista, jolla on korkea sulamispiste. Maamateriaali oli harvinaista kutistuvassa kaasupilvessä, joten planeetoista tuli pieniä eivätkä ne pystyneet sitomaan muita pilven kaasuja itseensä. Ulommista planeetoista tuli niin massiivisia, että ne pystyivät sitomaan itseensä myös ympäröivän pilven aurinkomateriaalia. Tutkimalla tähtien liikkeitä ja lähiympäristöä on voitu päätellä, että muillakin tähdillä on mahdollisesti planeettoja tai parhaillaan syntyviä planeettakuntia. Myös planeettakunnan syntymekanismin perusteella tuntuu luonnolliselta, että monilla muillakin tähdillä on planeettoja. 12

Pyörimisen vaikutukset planeetoissa Planeettojen ja tähtien pyörimisen vaikutus näkyy niiden litistyneessä muodossa. Maan muotoa sanotaan geoidiksi. Maan pinnan jokainen kohta on tasaisessa ympyräliikkeessä Maan akselin ympäri. Myös palloa kannatteleva käsi on tasaisessa ympyräliikkeessä Maan akselin ympäri. Käden nopeuden suunta muuttuu koko ajan. Sillä on sen tähden kiihtyvyys, joka suuntautuu kohti Maan akselia. Käsi ikään kuin putoaa pallon alta samalla tavalla kuin alaspäin kiihtyvässä hississä pallon alla oleva käsi. Kappale ei sen tähden paina yhtä paljon pyörivän Maan pinnalla kuin se painaisi, jos Maa ei pyörisi. Se kevenee Maan pinnan kiihtyvyydellä niin kuin se kevenee alaspäin kiihtyvässä hississä. Ilmiö johtuu kappaleen hitaudesta, sen pyrkimyksestä säilyttää nopeutensa. Kappaletta kannattavan henkilön kannalta se tuntuu siltä kuin kappaletta keventäisi jokin Maan painon tai hissin kiihtyvyydelle vastakkainen voima. Tällaisia näennäisiä voimia sanotaan hitausvoimiksi. Erityisesti Maan pyörimisen keventävää vaikutusta sanotaan sentrifugaalivoimaksi. Liikkuvaan kappaleeseen vaikuttaa maan pinnalla toinenkin Maan pyörimisestä johtuva näennäinen voima, ns. coriolisvoima. Se on verrannollinen kappaleen nopeuteen. Maan pintaa pitkin liikkuvaan kappaleeseen se vaikuttaa pohjoisella pallonpuoliskolla oikealle, eteläisellä vasempaan. Putoavaan kappaleeseen se vaikuttaa itään ja kohoavaan länteen. Navoilla kappale putoaa kuitenkin suoraan. Coriolisvoiman vaikutus näkyy erityisesti merivirtojen ja ilmakehän liikkeissä. Maa ja sen kiertoliike Maa pyörii akselinsa ympäri. Akselin päitä sanotaan pohjois- ja etelänavaksi. Vuodenaikojen vaihtelu aiheutuu siitä, että Maan pyörähdysakseli ei ole kohtisuorassa Maan radan tasoa vastaan, vaan poikkeaa 23,4 tästä suunnasta. Kun akselin pohjoispää on vinossa kohti Aurinkoa, pohjoisella pallonpuoliskolla on kesä ja eteläisellä puoliskolla talvi. 13

Astronautti Maata kiertävällä radalla. Vuorokauden ja vuodenaikojen vaihtelu Maan pyörimisliikkeen vuoksi Aurinko näyttää kiertävän Maata idästä länteen ja maapallolla päivä ja yö vaihtelevat. Maan vuotuisen kiertoliikkeen vuoksi Aurinko näyttää vuodessa kiertävän kerran taivaan lännestä itään tähtien suhteen. Pyörimismäärän säilymislaki ilmenee Maan liikkeessä siten, että maapallon akseli pysyy samansuuntaisena avaruudessa ja pyörimisnopeus pysyy muuttumattomana. Avaruussukkulan lähtö ja paluu. 14

Vuorovesivoimat Kuun gravitaatiokentän voimakkuus Maan kohdalla on vain noin 0,56 % Auringon kentästä. Koska Kuu on niin paljon lähempänä, sen painovoiman vaihtelu Maan tilassa on noin 2,2 kertaa niin suuri kuin Auringon aiheuttama vaihtelu. Lähempänä Kuuta ja kauempana Kuusta olevat Maan pisteet ovat erilaisessa painovoimakentässä. Tämä vaikutus ilmenee voimana, joka pyrkii venyttämään Maata. Tästä aiheutuu vuorovesi-ilmiö. Valtameren vedet kohoavat vuoksiaalloksi sekä Kuun puolella että vastakkaisella puolella. Herkkäliikkeinen ilmakehä käyttäytyy samoin. Myös kiinteässä maankuoressa havaitaan vuorovesi-ilmiön aiheuttama kohoaminen ja laskeminen, joka on Suomessa noin 30 mm. Elämän synty aurinkokunnassa Elämän mahdollisuuksien kannalta on olennaista, että gravitaatiokehitys johtaa aurinkokunnan kaltaisiin hyvin pysyviin systeemeihin, joissa on tähti aurinkona ja siihen verrattuna pienet planeetat. Tällöin planeettojen pysyvät radat ovat mahdollisia. Planeetoissa gravitaatiopuristuminen pysähtyy atomirakenteen koossa pitävien voimien vaikutuksesta. Tähdessä gravitaatiopuristuminen jatkuu pitemmälle, sytyttää ydinreaktiot ja johtaa pitkään tasaisesti säteilevään kehitysvaiheeseen. Tähden säteily tarjoaa puolestaan pitkäaikaisen ja tasaisen energialähteen elämän kehittymiselle. Näin elämän kemialle välttämättömien atomien ja molekyylien rakenteellinen moninaisuus voi säilyä planeetoissa. Kaikki maailmankaikkeuden vety on peräisin maailmankaikkeuden alkuhetkiltä. Raskaammat alkuaineet, kuten hiili, happi ja rauta, ovat syntyneet tähdissä, jotka ovat kulkeneet kehityksensä loppuun ja räjähtäneet. Rautaa raskaampien alkuaineiden uskotaan syntyneen supernovaräjähdyksissä. Maan kehitykselle tärkeä alkuaineiden moninaisuus on välttämättä ollut jo sillä aineella, josta Auringon ympärillä kiertävät planeetat ovat tiivistyneet. Nämä alkuaineet syntyivät aikaisemmissa tähtisukupolvissa. 15

Amerikkalainen Stanley Miller teki 1953 kokeen, jossa hän jäljitteli alkuaikojen ilmakehää laboratorioolosuhteissa, ja sai syntymään mutkikkaitakin orgaanisia yhdisteitä. Orgaanisista yhdisteistä on kuitenkin pitkä matka elävään soluun, jonka tunnusmerkkinä voidaan pitää jonkinlaista aineenvaihduntaa, lisääntymistä ja perimän siirtoa sukupolvesta toiseen. Alan vilkkaasta sekä kokeellisesta että teoreettisesta tutkimuksesta huolimatta ei toistaiseksi ole onnistuttu luomaan yleisesti hyväksyttyä kuvaa, miten ensimmäiset eliöt vajaat 4 miljardia vuotta sitten ovat syntyneet. Elämän synnyttäminen koeputkessa ei myöskään ole onnistunut. Avoinna on myös kysymys, onko elämä maapallollamme ainutkertaista vai onko muuallakin sellaisia fysikaalis-kemiallisia ilmiöitä, joista voitaisiin käyttää elämän nimeä. Selvittämättä on myös kysymys, syntyykö elämä suotuisissa oloissa väistämättä vai onko elämä ja niin ollen myös meidän olemassaolomme seurausta hyvinkin epätodennäköisestä ja sen tähden harvinaisesta sattumien sarjasta. Alkuräjähdys Kaikkina aikoina ihmisiä on kiinnostanut millaisessa maailmassa elämme, miten se on syntynyt, miten se loppuu, onko elämää muualla kuin Maassa? Nykyisen käsityksen mukaan maailmankaikkeus laajenee. Amerikkalainen Edwin Hubble tutki 1921 galaksien punasiirtymiä. Jos tähti etääntyy, sen lähettämän valon spektrin viivojen aallonpituudet ovat pitempiä kuin vastaavien laboratoriossa tuotettujen spektriviivojen. Viivat ovat siirtyneet kohti spektrin punaista, pitkäaaltoista päätä. Siksi ilmiötä sanotaan punasiirtymäksi. Se aiheutuu nk. Dopplerin ilmiöstä, joka on sama ilmiö kuin ohi ajavan junan tai auton äänimerkin korkeuden äkillinen aleneminen. Hubble havaitsi, että galaksien punasiirtymät ovat sitä suurempia, mitä kauempana galaksit ovat. Tämä osoittaa, että galaksit etääntyvät toisistaan sitä nopeammin, mitä kauempana toisistaan ne ovat. Pioner 10 ja 11 -luotainten mukana avaruuteen lähetettiin viesti. Viestistä selviää Aurinkokunnan sijainti ja luotainten lähetysaika ilmoitettuna 14 pulsaria koskevilla tiedoilla. Viestin alareunassa on aurinkokunnan kaavio ja luotaimen lähtörata. 16

Tämä havainto tuki merkittävästi ns. "big bang" - hypoteesia, jonka mukaan maailmankaikkeuden synty nykyisin selitetään. Laajeneminen sai alkunsa noin 15 miljardia vuotta sitten maailmankaikkeuden syntyessä suuressa alkuräjähdyksessä. Alkuhetkellä maailmankaikkeus oli äärettömän tiheässä ja kuumassa tilassa. Räjähtäessään se alkoi levitä kaikkialta kaikkiin suuntiin, harveta ja jäähtyä. Alkuhetkien aikaa onkin tapana ilmaista lämpötilan avulla. Ensimmäisten 3 minuutin aikana säteily ja aine erkanivat toisistaan. Säteily muodosti koko avaruuden täyttävän nk. taustasäteilyn. Se voidaan tulkita aineen lämpösäteilyksi erkautumisen hetkellä. Erkautumisen jälkeen se on jäähtynyt maailmankaikkeuden laajetessa riippumatta siitä, mitä materialle tapahtui. Sen lämpötilan on voitu laskea olevan nykyisin n. 3 K. Kun amerikkalaiset Arno Penzias ja Robert Wilson vuonna 1965 havaitsivat avaruuden taustasäteilyn ja mittasivat sen säteilylämpötilaksi juuri tämän 3 K, oli saatu ratkaisevaksi tulkittu todiste alkuräjähdyshypoteesin puolesta. Aine rakentui nykyisin tunnetuiksi aineen perushiukkasiksi, elektroneiksi ja nukleoneiksi, ja alkutilaa hallitseva yhtenäisvuorovaikutus erikoistui näiden hiukkasten välisiksi neljäksi perusvuorovaikutukseksi. Näin syntyi avaruuden täyttävä jatkuvasti harveneva kaasu, joka oli pääasiassa vetyä. Se alkoi hitaan kehityksen kohti avaruuden suuria rakenteita, galakseja ja tähtiä, joiden miljardien vuosien kehityskulussa vähitellen syntyi kaikki nykyisin tunnettu materia elollista luontoa myöten. Valon nopeus on suuri, 300 000 km/s, mutta kuitenkin äärellinen. Kaukaisia tähtitieteelisiä kohteita tutkittaessa katsotaan sen tähden samalla maailmankaikkeuden menneisyyteen. Etäisimmät havaitut kohteet ovat nk. kvasaareja, jotka miljardien valovuosien etäisyyksillä, kaukaisimmat yli 10.000.000.000 valovuoden päässä meistä. Me näemme ne sen tähden sellaisina kuin ne olivat maailmankaikkeuden historian alkuaikoina, miljardeja vuosia sitten. Kvasaarit ovat ilmeisestikin syntyvaiheessaan olevia galakseja. Alkuräjähdyksen jälkeen valo on ehtinyt edetä 15 miljardin valovuoden matkan. Jos näkisimme jotakin näin kaukaa, näkisimme kaikissa suunnissa maailmankaikkeuden sellaisena kuin se oli noin 1 sekunti syntyhetkensä jälkeen. Sitä ennen aine oli nimittäin säteilyä läpäisemätöntä plasmaa, jonka sisästä ei voinut lähteä valon kuljettamia viestejä. Havaitsemisen periaatteellinen raja, aikahorisontti, etääntyy meistä valon nopeudella. Tämä on kuitenkin maailmankaikkeuden mittasuhteisiin verrattuna niin hidasta, ettei sen voi koskaan odottaa paljastavan meille mitään sellaista, mikä ei olisi nähtävissä nyt havaittavassa maailmankaikkeudessa. Alkuräjähdyksen tutkimuksessa tähtitiede ja hiukkasfysiikka kohtaavat. Alkeishiukkasten tunnettujen vuorovaikutusten perusteella voidaan tutkia teoreettisesti aineen rakentumista hiukkasiksi maailmankaikkeuden alkuhetkillä. Näin on saatu hypoteesia tukevia uusia 17

tuloksia. On voitu laskea mm. alkuräjähdyksen jälkeisessä prosessissa syntyvien protonien ja neutronien sekä niistä edelleen muodostuvien heliumin ja vedyn suhteelliset määrät. Molemmat vastaavat havaittuja määriä nykyisessä maailmankaikkeudessa. Kokeellinen hiukkastutkimus, jossa selvitetään alkeishiukkasten välisten vuorovaikutusten luonnetta, on samalla myös alkuräjähdyksen tutkimusta. Törmäyttämällä raskaita ytimiä hyvin suurilla energioilla on voitu synnyttää tilanteita, joissa ytimen mittakaavassa vallitsevat törmäyksen hetkellä samanlaiset olosuhteet kuin maailmankaikkeuden alussa noin hetkellä 1 s. Näiden uusien tulosten mukana pysyvän tilan teoria, jota aikaisemmin pidettiin vakavana vaihtoehtona, on väistynyt yhä enemmän taka-alalle. Siinä maailmankaikkeuden ajateltiin pysyvän ikuisesti samanlaisena, ilman alkua ja loppua. Se olisi tasapainotilassa, jota jatkuva hidas aineen syntyminen ja häviäminen ylläpitäisivät. Laboratorio-olosuhteissa on onnistuttu jäljittelemään maailmankaikkeuden tilannetta 1 s alkuräjähdyksen jälkeen. Se, mitä tapahtui ennen tätä hetkeä, on pelkästään luonnonlakeihin pohjautuvan päättelyn varassa. Maailmankaikkeuden tulevaisuutta ei (vielä) osata ennustaa. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan maailmankaikkeuden kohtalo riippuu sen tiheydestä. Nykyisin tiedossa olevan tähtien ja galaksien massan perusteella maailmankaikkeus jatkaa laajenemistaan ikuisesti gravitaation jarrutuksesta huolimatta. Toisaalta tunnetut massat eivät riitä esimerkiksi selittämään galaksien liikettä galaksijoukoissa. Ilmeisesti on olemassa runsaasti havaitsematonta pimeätä massaa, josta suuri osa saattaa olla nykyisin tuntemattomassa muodossa. Lukuisia maailmankaikkeuden syntyyn liittyviä kysymyksiä on edelleen ratkaisematta: Mitä oli ennen alkuräjähdystä? Miksi se lähti liikkeelle? Mitkä olivat tarkat alkuehdot? Miksi maailmankaikkeudessa ei ole vapaana antiainetta? Näihin kysymyksiin ei kyetä vastaamaan nykyisten teorioiden pohjalta. Maailmankaikkeus oli alussa ilmeisesti äärettömän tiheässä tilassa tunnettujen luonnonlakien pätevyysalueiden ulkopuolella. 18